Pro/MECHANICA® verstehen lernen Paul Kloninger Pro/MECHANICA® verstehen lernen ab Version Wildfire® 4.0 1 3 Dipl.-Ing. Paul Kloninger Pestalozzistr. 21 36137 Großenlüder Deutschland [email protected] ISBN 978-3-540-89017-1 e-ISBN 978-3-540-89018-8 DOI 10.1007/978-3-540-89018-8 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © 2009 Springer-Verlag Berlin Heidelberg Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk- sendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Ver- vielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jeder- mann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem Papier 9 8 7 6 5 4 3 2 1 springer.de Vorwort „Man sollte alles so einfach wie möglich sehen - aber auch nicht einfacher“. Albert Einstein Dem Leser liegt hier ein Anwenderbuch für die Software MECHANICA vor. Im Gegensatz zu den theoretischen, wissenschaftlichen Werken finden sich in dieser Abhandlung nur einfache, in der Technik allgemein bekannte Formeln und Zusam- menhänge. Weiterhin sucht man vergeblich nach einer beiliegenden CD-ROM, denn die Buchbeispiele sind mit wenigen Mausklicks aufgebaut. Die Vorgehens- weise wird Schritt-für-Schritt erklärt und sehr detailliert mit Screenshots versehen, sodass der Anwender jederzeit das Buch als Nachschlagewerk verwenden kann. Zwecks der Übersichtlichkeit werden alle zitierten Menübefehle durch Fettdruck hervorgehoben, die Optionen und Schaltflächen in den entsprechend erscheinenden Definitionsfenstern zusätzlich in <dreieckige Klammern> genommen. An dieser Stelle möchte ich mich bei den Mitarbeitern des Springer Verlags bedanken, die das Vertrauen in dieses Buchprojekt mit mir teilten. Ferner danke ich meinem langjährigen Arbeitgeber ibb Konstruktionsdienstleistungs GmbH, wo ich die Gelegenheit erhalten habe, MECHANICA zu erlernen und mich dafür zu begeistern. Berlin, September 2008 Paul Kloninger v Inhaltsverzeichnis Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 Methodik in MECHANICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1 P-Methode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Vorgehensweise in MECHANICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Integration in Pro/ENGINEER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Leistungsmerkmale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5 Plattformen für MECHANICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6 Geometriebeschreibung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.7 Plausibilitätsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.8 Konvergenzmethoden in MECHANICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.9 Zusammenfassung Kapitel 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Methodik in Pro/ENGINEER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1 CAD-System Pro/ENGINEER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Arbeitsmodus in Pro/ENGINEER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3 Bedienoberfläche in Pro/ENGINEER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4 Zusammenfassung Kapitel 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 Aufgabe: Darstellung des Ein-Massen-Schwingers . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1 Einstieg in MECHANICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2 Ersatzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 CAD-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.4 Statische Analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.5 Modalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6 Dynamische Zeitanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.7 Dynamische Frequenzanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.8 Zusammenfassung Kapitel 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 vii viii Inhaltsverzeichnis 4 Aufgabe: Einfacher Träger als Balkenmodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.1 Aufgabenstellung Balkenmodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2 Ersatzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3 CAD-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4 Statische Analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.5 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5 Aufgabe: Lochscheibe als ebener Spannungszustand . . . . . . . . . . . . . . 83 5.1 Aufgabenstellung Lochscheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.2 Ersatzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.3 CAD-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.4 Statische Analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.5 Zusammenfassung Kapitel 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6 Aufgabe: Dünnes Rohr als ebener Dehnungszustand . . . . . . . . . . . . . 109 6.1 Aufgabenstellung dünnes Rohr. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2 Ersatzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.3 CAD-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.4 Statische Analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.5 Zusammenfassung Kapitel 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7 Aufgabe: Pressverband als 2D-Achsensymmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7.1 Aufgabenstellung Pressverband . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7.2 Ersatzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7.3 CAD-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7.4 Statische Analyse der Hohlwelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 7.5 Kontaktanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.6 Zusammenfassung Kapitel 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 8 Aufgabe: Dünne Platte als Schalen- und Volumenmodell . . . . . . . . . . 155 8.1 Aufgabenstellung Kreisplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 8.2 Ersatzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 8.3 CAD-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 8.4 Schalenmodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 8.5 Volumenmodell geometrisch nichtlinear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 8.6 Zusammenfassung Kapitel 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 9 Aufgabe: Knickstab als Instabilitätsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 9.1 Aufgabenbeschreibung Knickstab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 9.2 Ersatzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Inhaltsverzeichnis ix 9.3 CAD-Modell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9.4 Statische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 9.5 Beulanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 9.6 Zusammenfassung Kapitel 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 10 Aufgabe: Wärmeleitstab in THERMAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 10.1 Aufgabenbeschreibung Wärmeleitstab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 10.2 Ersatzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 10.3 CAD-Modell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 10.4 Stationäre Analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 10.5 Transiente Wärmeanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 10.6 Zusammenfassung Kapitel 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 11 Zwei Aufgaben zur autodidaktischen Weiterbildung . . . . . . . . . . . . 213 11.1 Zwei-Massen-Schwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 11.1.1 Ersatzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 11.1.2 CAD-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 11.1.3 FE-Modell in MECHANICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 11.1.4 Modalanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 11.1.5 Dynamische Zeitanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 11.1.6 Ergebniskontrolle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 11.2 Flanschverschraubung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 11.2.1 Ersatzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 11.2.2 CAD-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 11.2.3 FE-Modell in MECHANICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 11.2.4 Erste Kontaktanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 11.2.5 Zweite Kontaktanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 11.2.6 Endanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 11.3 Allgemeine Tipps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 12 Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Auflistung verwendeter Formelzeichen und Abkürzungen A 1. Koeffizient der homogenen Lösung, Stabquerschnitt B 2. Koeffizient der homogenen Lösung, Balkenbreite D Nenndurchmesser D Außendurchmesser der Nabe na D Innendurchmesser der Hohlwelle ni E Elastizitätsmodul E gespeicherte Federenergie FEDER F Kraft F Knicklast k F(cid:314) Kraftvektor G Gravitation G(cid:314) Gravitationsvektor H Balkentiefe I Flächenträgheitsmoment L Balkenlänge, Stablänge L Federlänge ungespannt 0 M Biegemoment B P Flächenpressung im Pressverband Fuge Pi Innendruck Q Wärmemenge . Q Wärmestrom R mittlerer Rohrradius, Plattenradius T Temperatur ΔT Temperaturdifferenz W Arbeit der Schwerkraft GRAVITATION X, Y, Z kartesische Koordinatenachsen a Beschleunigung c spezifische Wärmekapazität d Dämpfungskoeffizient f maximale Durchbiegung max g Erdbeschleunigung k Federsteifigkeit xi xii Auflistung verwendeter Formelzeichen und Abkürzungen m Masse p Druck t Zeit, Scheibendicke, Rohrdicke, Plattendicke Δt Aufheizdauer x, y Verschiebung x˙,y˙,y' Geschwindigkeit (cid:662)x(cid:662),ÿ Beschleunigung α Formzahl k γ Auslenkung λ Wärmeleitzahl σ Nennspannung 0 σ Tangentialspannung t σ Kerbspannung in X-Richtung x σ maximale Kerbspannung in X-Richtung xmax ω Eigenkreisfrequenz ω Eigenfrequenz 0 2D zweidimensional 3D dreidimensional Abb. Abbildung Abschn. Abschnitt Aufl. Auflage bzgl. bezüglich bzw. beziehungsweise ca. circa (etwa) d. h. das heißt etc. et cetera (und so weiter) evtl. eventuell GB Gigabyte gem. gemäß ggf. gegebenenfalls HTML textbasierte Internet-Programmiersprache inkl. inklusive IPE Stahlträger als I-Profil mit parallelen Flanschflächen JPEG Grafikformat Kap. Kapitel MS EXCEL Tabellenkalkulationsprogramm von Microsoft Nr. Nummer PC Personal Computer STRG Steuerungstaste TIFF Grafikformat usw. und so weiter u. A. unter Anderem u. U. unter Umständen vs. versus (gegen) z. B. zum Beispiel Einleitung Das Tool MECHANICA ist eine bekannte und verbreitete Software von Paramet- ric Technology Corporation (PTC). Heutzutage benutzt man die Funktionalität überwiegend in Verbindung mit Pro/ENGINEER, einem der weltweit führenden CAD-Programme (CAD = Computer Aided Design). Das war nicht immer so, da MECHANICA ursprünglich unabhängig von Pro/ENGINEER entwickelt und später in die CAD-Umgebung integriert wurde. Dennoch gibt es noch immer eini- ge Spezialisten, die MECHANICA losgelöst von CAD einsetzen. Diese Arbeits- weise gehört keineswegs zum Schwerpunkt der Abhandlung, denn die Zielgruppe entspricht nicht dem Buchkonzept. Die vorliegende Arbeit richtet sich in erster Linie an die Studenten aber auch Ingenieure der Fachbereiche Maschinenbau, Mechatronik, Bauingenieurwesen etc. Das sind hauptsächlich (angehende) Konstrukteure, die neben der schöpferischen Tätigkeit der Produktentwicklung bestimmte Eigenschaften ihrer Konstruktionen virtuell untersuchen möchten. Darin liegt der Kern der Motivation für dieses Buch: Der Autor möchte damit erreichen, dass möglichst vielen Anwendern der Zugang zu MECHANICA geöffnet und erleichtert wird. Im Rahmen der Hochschulausbildung hat man sehr wahrscheinlich einen CAD- Lehrgang belegt, vielleicht war das sogar Pro/ENGINEER oder CATIA, um hier die wichtigsten Vertreter der CAD-Welt zu erwähnen. Diese Kurse haben erfahrungs- gemäß leider keinen hohen Anspruch an die Qualität und Inhalte. Erst im Beruf sind dann teure Schulungen von entsprechenden Anbietern richtig effektiv. In selteneren Fällen gibt es einen Lehrgang in einem FEM-Tool (FEM = Finite-Elemente-Metho- de), wie z. B. MECHANICA. Danach erhält man in den meisten Fällen eine Schu- lungsunterlage, die ein späteres Auffrischen von dem gelernten aber vergessenen Wissen ermöglicht. Für viele sind das somit die einzigen Nachschlagewerke, da die heute vorhandene Literatur zu MECHANICA recht dürftig ist. Insgesamt haben wir in der Bundesrepublik Deutschland eine große Anzahl an Anwendern und Interessenten von Pro/ENGINEER und MECHANICA. Davon gibt es nur ganz wenige Ingenieure, die als Berechnungsspezialisten zu 50-100 % mit